高频感应加热电源数字锁相控制

高频感应加热电源数字锁相控制

张晴

（辽宁工业大学电子与信息工程学院辽宁锦州121001）

摘要：在感应器加热的过程中，由于存在节能、高效和污染少等特点，因此在工业生产的过程中得到了非常广泛的运用。本文以高频感应加热电源为研究对象，针对数字锁相等相关控制进行了分析，在MATLAB环境下对感应加热电源进行仿真分析，仿真结果与分析结果一致，对于感应加热的控制提供了新思路。

关键词：感应加热；锁相环；频率跟踪

1前言

感应加热电源电路拓扑结构，主要是AC/DC/AC基本的变换形式，即交流电经整流器整流并经滤波器滤波后成为平滑的直流电，送入逆变器中，通过逆变控制电路把直流电变换为所需频率的交流电供给负载，感应线圈、补偿电容、工件组成加热负载。当系统出现过压、过流、欠压等异常情况下，保护电路及时予以保护，保护电源系统安全。逆变器有不同的分类方法，根据负载槽路的不同，可以分为电压串联型逆变器、电流并联型逆变器，还可以根据逆变器结构分为半桥逆变器和全桥逆变器等。

2感应加热电源技术分析

2.1逆变器

串联型逆变器的直流输入侧并有高压大电容，主要用于直流侧滤波和为逆变电路提供电压的作用，可以近似看作是恒压源。所以，在实际应用中，禁止上下桥臂开关器件同时导通，防止烧坏开关器件。为了防止上下桥臂开关器件同时导通而引起直流侧电源短路，应采取“先断后通”的方法。即器件关断后留一定的死区时间，然后再开通其他器件，所以死区时间的长短视器件的开关速度而定，器件的开关速度越快，所留死区时间就越短。

并联型逆变器的输入端串联有大电感，起到平波电抗器的作用，可以近似看作是恒电流供电。所以，上下桥臂应避免出现同时关断的现象，这种状态会造成直流电源开路，在开关器件两端产生高电压，从而烧坏器件。为防止上下桥臂的开关器件同时关断而引起直流侧电源的开路，要采取“先通后断”的方法，即先开通开关器件，在重叠时间过后，再关断相应的器件，重叠时间的长短和开关器件的开关速度成反比。由于器件内部封装了反并联二极管，不能承受反压，所以串联了两支二极管。另外，在设计控制电路时，要特别注意分布电感和电容的存在，可能在功率器件上产生高压，导致损坏。所以，同串联型谐振回路一样，每个开关管上都要并联吸收元件。

2.2调功方式

感应加热负载在加热过程中参数会发生改变，所以感应加热电源应具有对负载功率调节功能。根据电压型串联逆变器功率调节方式的不同，调功方式可分为直流侧调功和逆变侧调功两种方式。逆变侧调功的方式很多，目前应用较多的有频率调制法、脉冲密度调制法和脉宽调制法。

2.2.1频率调制（PFM）频率调制是通过改变逆变器的工作频率，从而改变负载的等效阻抗来调节功率。在谐振频率时，功率输出最大，离谐振频率越远，功率输出越小。这种调功，主要用于对频率要求不高或负载品质因数较高且功率调节范围较小的情况，当频率偏离谐振频率时效率较低，调功范围较小。

2.2.2脉冲密度调制（PDM）

PDM调功就是通过控制脉冲密度，实际上就是控制向负载馈送能量的时间来控制输出功率。假设在T时间段内总共有t时间逆变桥向负载输出功率，其余时间能量自然震荡衰减，t越大输出功率越大。由于该方法对控制器的工作频率要求较高，所以适用范围较少。

2.2.3脉宽调制（PWM）

脉宽调制是指通过改变每周期脉冲宽度来调节输出功率的大小。当开关器件上脉冲最窄的时候，导通的时间最短，流过负载回路的平均电流也最小。随着占空比的加大，电流也逐渐加大，输出功率相应发生变化。

2.3频率跟踪技术

2.3.1基于CD4046的频率跟踪技术

以集成锁相环芯片CD4046为核心的电路，虽然能实现负载电流频率的自动跟踪，但存在频率跟踪范围较窄的缺点，而实际应用中的负载谐振频率变化范围是很大的。除此之外，模拟锁相环还存在线路复杂、元件易老化、零点漂移等缺点，且死区范围小，死区时间不是动态可调的，易发生逆变器“直通”现象，造成短路，致使开关器件损坏。

2.3.2基于SG3525的频率跟踪技术

SG3525组成的频率跟踪电路，一般包括超前相位补偿电路、过零比较电路、微分电路、脉冲形成电路、SG3525PWM控制电路等部分。在实际情况下，使用环境的复杂性、电路元件的老化等问题，都会使SG3525的稳定性大大降低，可能导致跟踪失败。

2.3.3低位数单片机频率跟踪

低位数单片机在进行频率跟踪时受内部资源和运算速度的限制，一些先进算法无法应用，这将导致频率跟踪速度偏慢、量化误差较大。在频率较高时，这种缺陷更加明显。

2.3.4数字锁相环（DPLL）广泛推广

数字锁相环除了具有数字电路固有的可靠性高、体积小、价格低等优点外，还一定程度上克服了模拟锁相环遇到的困难，如直流零点漂移、部件饱和、构成高阶环困难、必须进行初始校准等。其缺点，是由于相位增量的数字化引起的量化误差，带来了模拟锁相环中没有的量化所引起的相位抖动，即量化噪声。但是，只要参考选择合适，就可以把量化误差减到允许的范围内。综上所述，采用数字锁相技术会取得更好的频率跟踪效果，谐振频率为3000Hz感应加热电源的频率与相位的关系。在谐振频率附近，调节频率会得到很好的相位跟踪效果，在远离谐振点，调节相位会得到很好的频率跟踪效果。所以，可以采用分段跟踪的策略，在不同的频率段，采用不同的频率跟踪方法，提高频率跟踪的速度。

3仿真

Simulink（SimulationLink）是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是MATLAB的附加组件，具有适应面广、结构和流程清晰、仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，在线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理、视频与图像处理、电子电路建模和仿真中得到广泛应用。

本仿真输入条件和指标要求：交流输入电压：交流3：380V；电网电压波动：10%~10%；输入电压频率：50Hz；额定输出功率：P=35KW；额定工作频率：f=20Khz；负载的品质因数Q：10；变压器变比N：6，。整流侧采用半控方式，在很短的时间内晶闸管逐渐打开，打开后整流侧为不可控方式，这样既减少了对逆变侧的冲击，亦减少了谐波对电网的污染。逆变侧采用半桥方式，主要考虑电路结构简单，控制电路简单，而且功率较小，谐振电路采用串联谐振方式；锁相环采用分段跟踪方式，这样在不同的阶段采用不同的跟踪方式，

提高了频率跟踪的速度。由整流侧输入波形可以看出，随着时间的增大，晶闸管的触发信号逐渐前移，晶闸管触发角逐渐增大，这样整流侧输出电压逐渐增大，大约1s后晶闸管全部打开，输出侧电压达到最大值，不仅减少了对逆变侧的冲击，也减少了对电网侧的谐波污染。逆变侧未加锁相环的时候，电压电流非同相位，IGBT开关损耗大。加入锁相环后成弱感性，电压超前于电流，基本实现零电压开，零电流断，开关损耗减小。

4实验结果

实验搭建了单相逆变、串联谐振负载和控制电路部分，三相不控整流电路由实验室直流电源代替，受电源功率限制，进行了小功率的实验。本感应电源的主要技术数据为：直流母线电压125V，输出负载电流峰值50A，输出功率为5kW，系统工作频率为20kHz。图1为逆变输出电压和负载电流波形，其中方波为电压信号，正弦波为负载电流信号，可以看出电压和电流相位一致，锁相成功。

图1逆变输出电压和电流

5结束语

综上所述，利用MATLAB对感应加热电源进行仿真是可行的，仿真结果对感应加热电源技术的研究和感应加热电源的设计具有借鉴意义。

参考文献：

[1]刘大朋.基于锁相环路和固定角控制技术的中频感应加热电源设计[J].电焊机，2015，45（10）：104-107.

[2]吴健颖，周伟松，赵前哲，等.单逆变桥双频感应加热电源的数字化逆变控制[J].电力电子技术，2016，50（3）：91-93.

[3]余可，刘升，葛芦生.基于CD4046感应加热电源频率跟踪技术的研究[J].工业控制计算机，2015，28（10）：123-124.